一種混合式光電脈衝電流測量系統的製作方法
2023-05-08 20:27:06
專利名稱：一種混合式光電脈衝電流測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種信號測量領域，尤其涉及的是一種混合式光電脈衝電流測量系統。
背景技術：
隨著高電壓技術的發展，脈衝電流信號測量技術日益受到人們的重視。檢測電力設備局部放電信號，確定脈衝電流下絕緣介質的擊穿特性，研究絕緣材料電暈特性等都需要對脈衝電流信號進行準確測量和無畸變傳輸。目前，普遍採用的電流信號測量系統主要由電流互感器(CT)、信號傳輸電纜和終端設備構成。由於傳統電流互感器受磁飽和、渦流效應、銅耗、磁滯損耗等問題的影響，以及信號電纜頻帶限制、絕緣強度低和抗幹擾能力差的缺點，使得傳統電流信號測量系統無法應用於高電位脈衝電流信號的準確測量。洛氏(Rogowski)線圈作為一種電流傳感器已被廣泛應用於脈衝大電流測量系統中，對於納秒級微小電流信號測量，Rogowski線圈也具有很大的優勢。光纖的出現使得信號傳輸路徑更加多樣化。首先，光纖傳輸可使測量系統的高低壓終端實現電氣隔離。其次， Im長光纖的交流閃絡電壓大於lOOkV，所以可以用光纖隔離很高的點位。隨著光纖的普遍使用，基於法拉第磁致旋光效應原理研製的全光纖型電流測量系統在一些特殊領域得到應用，然而其穩定性和測量精度難以得到保證，其次，該測量系統昂貴的造價限制限制了自身發展。為了實現高電位下脈衝微小電流的準確測量和無畸變傳輸，必須採用其他的技術方案。
發明內容
本發明的目的在於提供一種混合式光電脈衝電流測量系統，旨在解決現有的電流測量系統的穩定性和測量精度難以得到保證的問題。本發明的技術方案如下一種混合式光電脈衝電流測量系統，其包括感應線圈和光纖傳輸模塊，所述光纖傳輸模塊包括高壓側的前置放大電路和驅動電路；光纖和低壓側的光信號接收與轉換電路，所述感應線圈連接前置放大電路，所述前置放大電路、驅動電路、光纖和光信號接收與轉換電路依次連接。所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其中，所述感應線圈採用高頻洛氏線圈。所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其中，所述前置放大電路包括第一電阻、第二電阻、開關和第一高速大電流運算放大器，所述第一電阻和第二電阻串聯連接，第一電阻連接洛氏線圈的輸出端，第二電阻接地；所述開關為一單刀雙擲開關，開關的第一活動端連接洛氏線圈的輸出端，第二活動端連接到第一電阻和第二電阻的連接點；第一高速大電流運算放大器的正向輸入端連接開關的固定端；第一高速大電流運算放大器的反向輸入端與輸出端連接形成反饋迴路。
所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其中，所述驅動電路包括第二高速大電流運算放大器、第三電阻、第四電阻和穩壓器，第三電阻一端連接前置放大電路的輸出端，另一端連接第二高速大電流運算放大器的正向輸入端；穩壓器通過第四電阻連接在第二高速大電流運算放大器的正向輸入端上；第二高速大電流運算放大器的反向輸入端連接第二高速大電流運算放大器的輸出端；第二高速大電流運算放大器的輸出端連接發射頭。
所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其中，所述發射頭採用集成光纖發射頭，採用的型號為HFBR-1414。所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其中，所述第一高速大電流運算放大器和第二高速大電流運算放大器的型號均為0PA690。所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其中，所述前置放大電路中的第一電阻和第二電阻的阻值之和為50 Ω。所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其中，所述光信號接收與轉換電路採用與高壓側光纖發射端相匹配的光纖接收器，其型號為HFBR-M16TZ，且該光纖接收器內部集成了一個PIN型光電二級管和將光信號轉換為模擬電壓信號的電路。本發明的有益效果本發明通過使用高頻帶的Rogowski線圈測量脈衝電流信號； 用高速大電流放大器0ΡΑ690代替傳統放大器，採用電壓信號驅動和集成光纖發射頭，研製出一套混合式光電電流測量系統，可測量微安級電流，測量帶寬可達22MHz，非線性度小於 0. 1%。本發明中所需器件可在電子市場購得，與普遍的數字傳輸方式相比較，成本低廉。
圖1是本發明中電流測量系統的高壓側前置放大電路圖。圖2是前置放大電路的方波響應結果圖。圖3是高壓側驅動電路。圖4是高壓側驅動電路的方波響應結果圖。圖5是光纖傳輸模塊電路圖。圖6a和圖6b是光纖傳輸模塊的幅頻和相頻響應特性曲線。圖7是光信號接收與轉換電路圖。圖fe和圖8b是測量系統方波和脈衝響應特性曲線。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本發明進一步詳細說明。本發明提供的混合式光電脈衝電流測量系統的結構分為以下兩個部分感應線圈和光纖傳輸模塊。其中，所述感應線圈採用高頻Rogowski線圈；光纖傳輸模塊分為高壓側、 光纖和低壓側，其高壓側有前置放大電路和驅動電路。高頻Rogowski線圈作為系統的傳感頭，感應得到的電壓信號經過放大電路放大作為驅動電路的驅動信號，使得光纖發射端動作，通過光纖將信號傳輸到光纖接收端，進而到測量終端。參見圖1，所述前置放大電路包括第一電阻R1、第二電阻R2、開關Sl和第一高速大電流運算放大器A，其型號為0PA690，所述第一電阻Rl和第二電阻R2串聯連接，第一電阻 Rl連接Rogowski線圈的輸出端，第二電阻R2接地；開關Sl為一單刀雙擲開關，開關Sl的第一活動端連接Rogowski線圈的輸出端，第二活動端連接第一電阻Rl和第二電阻R2的連接點；第一高速大電流運算放大器A的正向輸入端連接開關Sl的固定端；第一高速大電流運算放大器A的反向輸入端連接輸出端形成反饋迴路，其採用士5V的電壓供電。位於高壓側的前置放大電路中採用高速大電流運算放大器0PA690代替傳統放大器，穩定的增益和約500MHz的帶寬提高了整個系統的響應性能。為了實現電纜終端匹配條件，電路中的R1+R2 = 50Ω。圖2是前置放大電路方波響應結果圖。圖2中，通道1為原始輸入信號，通道2為放大電路方波響應信號。可以看出，原始信號經前置放大電路後，仍保持原信號波形，沒有波形畸變。輸出信號有一延時。參見圖3，所述驅動電路包括第二高速大電流運算放大器B、第三電阻R3、第四電阻R4和型號為REF5030穩壓器，第三電阻R3 —端連接前置放大電路的輸出端即連接第一高速大電流運算放大器A的輸出端，另一端連接第二高速大電流運算放大器B的正向輸入端；穩壓器REF5030通過第四電阻R4也連接在第二高速大電流運算放大器B的正向輸入端上；第二高速大電流運算放大器B的反向輸入端連接第二高速大電流運算放大器B的輸出端。第二高速大電流運算放大器B的輸出端連接發射頭，所述發射頭採用集成光纖發射頭，可以直接傳輸模擬信號，省去模數轉換模塊，降低了成本。本實施例中採用的型號為 HFBR-1414。所述穩壓器的工作電壓為+5V，放大器的工作電壓為士5V。圖4為驅動電路的方波信號，高壓側完整的電路圖如圖5所示。圖6a和圖6b是光纖傳輸模塊的幅頻和相頻響應特性曲線，按照IEC標準和相關國家標準，幅頻和相頻響應3dB帶寬為22MHz。所述低壓側包括光信號接收與轉換電路，參見圖7，所述光信號接收與轉換電路採用與高壓側光纖發射端相匹配的光纖接收器HFBR-M16TZ，並且該器件內部集成了一個 PIN型光電二級管和將光信號轉換為模擬電壓信號的電路，整個低壓側電路非常簡單。參見圖8a和圖8b，本發明提供的測量系統方波和脈衝響應特性曲線。可以看出，整個測量系統在方波及方波脈衝下響應曲線的上升時間約20ns，可以用於測量納秒脈衝電流信號。經研究，所選用的高速大電流放大器0PA690能夠有效的提高整個測量系統的頻帶寬度，從而滿足對脈衝電流的準確測量。由於光纖的電氣隔離特點，本發明攻破了高電位下微小電流測量時強電場擊穿和強電磁場幹擾的技術難關。本發明通過使用高頻帶的Rogowski線圈測量脈衝電流信號；用高速大電流放大器0PA690代替傳統放大器，採用電壓信號驅動和集成光纖發射頭，研製出一套混合式光電電流測量系統，可測量微安級電流，測量帶寬可達22MHz，非線性度小於0. 1%。本發明中所需器件可在電子市場購得，與普遍的數字傳輸方式相比較，成本低廉。應當理解的是，本發明的應用不限於上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種混合式光電脈衝電流測量系統，其特徵在於，包括感應線圈和光纖傳輸模塊，所述光纖傳輸模塊包括高壓側的前置放大電路和驅動電路；光纖和低壓側的光信號接收與轉換電路，所述感應線圈連接前置放大電路，所述前置放大電路、驅動電路、光纖和光信號接收與轉換電路依次連接。
2.根據權利要求1所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其特徵在於，所述感應線圈採用高頻洛氏線圈。
3.根據權利要求2所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其特徵在於，所述前置放大電路包括第一電阻、第二電阻、開關和第一高速大電流運算放大器，所述第一電阻和第二電阻串聯連接，第一電阻連接洛氏線圈的輸出端，第二電阻接地；所述開關為一單刀雙擲開關，開關的第一活動端連接洛氏線圈的輸出端，第二活動端連接到第一電阻和第二電阻的連接點；第一高速大電流運算放大器的正向輸入端連接開關的固定端；第一高速大電流運算放大器的反向輸入端與輸出端連接形成反饋迴路。
4.根據權利要求3所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其特徵在於，所述驅動電路包括第二高速大電流運算放大器、第三電阻、第四電阻和穩壓器，第三電阻一端連接前置放大電路的輸出端，另一端連接第二高速大電流運算放大器的正向輸入端；穩壓器通過第四電阻連接在第二高速大電流運算放大器的正向輸入端上；第二高速大電流運算放大器的反向輸入端連接第二高速大電流運算放大器的輸出端；第二高速大電流運算放大器的輸出端連接發射頭。
5.根據權利要求4所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其特徵在於，所述發射頭採用集成光纖發射頭，採用的型號為HFBR-1414。
6.根據權利要求5所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其特徵在於，所述第一高速大電流運算放大器和第二高速大電流運算放大器的型號均為0PA690。
7.根據權利要求6所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其特徵在於，所述前置放大電路中的第一電阻和第二電阻的阻值之和為50 Ω。
8.根據權利要求7所述的混合式光電脈衝電流測量系統，其特徵在於，所述光信號接收與轉換電路採用與高壓側光纖發射端相匹配的光纖接收器，其型號為HFBR-M16TZ，且該光纖接收器內部集成了一個PIN型光電二級管和將光信號轉換為模擬電壓信號的電路。
全文摘要
本發明公開了一種混合式光電脈衝電流測量系統，其包括感應線圈和光纖傳輸模塊，所述光纖傳輸模塊包括高壓側的前置放大電路和驅動電路；光纖和低壓側的光信號接收與轉換電路，所述感應線圈連接前置放大電路，所述前置放大電路、驅動電路、光纖和光信號接收與轉換電路依次連接。採用本發明可測量微安級電流，測量帶寬可達22MHz，非線性度小於0.1％，本發明中所需器件與普遍的數字傳輸方式相比較，成本低廉。
文檔編號G01R15/00GK102539885SQ20111046112
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月31日 優先權日2011年12月31日
發明者劉紅太, 葉建鑄, 周巖, 左幹清, 毛熊, 牛崢, 王頌, 盛康, 謝超 申請人:中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司